Диеновый синтез

 

                                               Содержание

Введение…………………………………………………………………..2

1. Литературный обзор

1. История изучения диенового синтеза…………………….…...3

2. Механизм диенового синтеза………………………………….6
3. Диеновый синтез на примере различных реакций……….......8
4. Фосфорсодержащие диенофилы в реакциях Дильса-Альдера………………………………………………………....19

2. Обсуждения………………………………………...……………...22
3. Экспериментальная часть………………………………………...33
4. Вывод………………………………………………………………39

V.    Литература…………………………………………………………40

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

                                                               Введение

        Реакция органической химии, при которой происходит взаимодействие соединений, содержащих две двойных связи (диен), с диенофилами (соединениями, содержащими одну двойную связь) называется диеновым синтезом.  За открытие этой реакции немецкие химики О.Дильс и К.Альдер в 1950 были удостоены Нобелевской премии. В литературе диеновый синтез часто называют реакцией Дильса-Альдера.

       Синтез осуществляют с участием диенов, у которых две двойные связи разделены не более чем одной простой связью (сопряженный диен).

       Второй компонент – диенофил Х–СН=СН–Х (соединение с одной двойной связью) обычно содержит дополнительные группы Х (Х – карбонильная, карбоксильная, нитрогруппа и др.), которые активируют двойную связь диенофила, в результате он легко вступает в диеновый синтез [1-2].

    Актуальность: учитывая высокую биологическую активность и широкий спектр практического применения фосфорорганических соединений, исследования реакций диенового синтеза является актуальным. В настоящее время в литературных данных содержится  недостаточное количество информации о методах синтеза фосфорорганических соединений, что представляет  наибольший интерес для изучения реакций данного вида.

    Цель работы: изучение реакций диенового синтеза на примере диена- α-терпинена и фосфорсодержащих диенофилов.

 

                                   

 

 

 

        I. Литературный обзор

1. История изучения диенового синтеза

В 40х – 50х годах XX века исключительную роль в промышленности играло целенаправленное изучение широких циклов реакций.

Диеновый синтез был предметом интереса химиков многих стран. Большие заслуги в его развитии принадлежат школе А. Е. Фаворского. Первые примеры диенового синтеза можно найти в работах В. Н. Ипатьева (1897) и С. В. Лебедева (1909) по исследованию димеризации изопрена .

Как общая реакция органической химии диеновый синтез был открыт в 1928 году немецкими химиками-органиками О. Дильсом и К. Альдером. Диеновый синтез широко применяют в синтетической органической химии, в том числе для синтеза стероидов. Исследование диенового синтеза позволило объяснить ряд процессов при полимеризации диеновых углеводородов.

В последующие годы диеновый синтез действительно стал незаменимым средством для химиков-органиков, которые применяли его при синтезе таких веществ, как лекарства, витамины, гормоны, стероиды, синтетические каучуки и пластмассы.

В настоящее время диеновый синтез, называемый реакцией Дильса - Альдера, является одним из важнейших синтетических методов, имеющих весьма широкое и разнообразное применение. В большинстве случаев диеновый синтез непосредственно приводит к ненасыщенным алициклическим и гетероциклическим шестичленным системам, многие из которых, а также продукты их дальнейших превращений оказались физиологически активными веществами, обладающими антиконвульсивным, снотворным, инсектицидным, гербицидным и репелентным действием. Во многих случаях диеновый синтез оказался единственным методом, позволяющим получать мостиковые и другие ди- и полициклические структуры, составляющие основу многих природных соединений и представляющие самостоятельный интерес. Благодаря стереохимической направленности реакции Дильса - Альдера ее используют также в синтезе природных соединений определенной пространственной конфигурации [1].

                              

                                     Биография О. Дильса и К. Альдера

         Отто Пауль Герман Дильс (23 января 1876 г. – 7 марта 1954 г.)

Немецкий химик Отто Пауль Герман Дильс родился в Гамбурге. В шесть лет Дильс поступил в Йоахимштальскую гимназию в Берлине. В двадцатилетнем возрасте Дильс поступил в Берлинский университет для изучения химии. В 1900 г. он под руководством Эмиля Фишера блестяще защитил докторскую диссертацию и стал ассистентом Фишера в университетском Химическом институте.

В 1904 г. Дильс становится лектором, а в 1906 г. – профессором органической химии. В 1916 г. Дильс принял назначение на должность профессора химии и директора Химического института Университета Кристиана Альбрехта (позднее Кильского университета). С 1925 г. он ректор этого университета.

В 1928 г. Дильс с одним из своих бывших студентов, Куртом Альдером, опубликовал статью, в которой они впервые объясняли диеновый синтез. Хотя диеновый синтез уже был обнаружен другими химиками, этому явлению не было дано научного объяснения. Сотрудничество Дильса с Альдером продолжалось до 1936 года.

В 1950 г. Дильс и Альдер были награждены Нобелевской премией по химии "за открытие и развитие диенового синтеза". Болезнь не позволила Дильсу присутствовать на церемонии награждения.

Отто Дильс умер в Киле 7 марта 1954 г., вскоре после своего 78-летия.

Кроме Нобелевской премии, Дильс был награжден медалью Адольфа фон Байера Германского химического общества (1930), получил почетную медицинскую степень в Кильском университете. Он являлся членом академий наук Гёттингена, Галле и Мюнхена.

Курт Альдер (10 июля 1902 г. – 20 июня 1958 г.)

Немецкий химик Курт Альдер родился в Германии, в Кенигсхютте. В 1922 г. Альдер окончил в Берлине среднюю школу и поступил в Берлинский университет, чтобы изучать химию.

Свое обучение Альдер продолжил в Университете Христиана Альбрехта, где работал у Отто Дильса, профессора органической химии и директора университетского Химического института. В 1926 г., завершив диссертацию о реакциях с азодикарбоновым эфиром, Альдер был удостоен докторской степени и стал ассистентом Дильса.

В 1930 г. Альдер был назначен лектором по органической химии в Кильском университете, а в 1934 г. стал экстраординарным профессором. Вернувшись в 1940 г. к академической деятельности, Альдер, которого не привлекли к исследованиям, осуществляемым в военное время Германией, был назначен руководителем работ по экспериментальной химии и химической технологии в Кельнском университете. Одновременно он стал директором Химического института этого университета.

После получения Нобелевской премии (1950) Альдер продолжал заниматься преподавательской деятельностью и научными исследованиями в области дальнейшего потенциального применения диенового синтеза в промышленных целях. В 1955 г. он, присоединившись к 17 другим Нобелевским лауреатам, подписал декларацию, призывающую все страны осудить войну как инструмент внешней политики. В 1957 г. врач, поставив ему диагноз: истощение организма, посоветовал полный отдых. Альдер умер на следующий год, в возрасте 55 лет [3].

                           2. Механизм диенового синтеза

           Диеновый синтез – реакция 1,4-присоединения диеновых углеводородов с сопряжёнными двойными связями к ненасыщенным соединениям с активированной двойной связью (диенофилы) (схема 1).

В реакцию вступают циклические и ациклические 1,3-диены, енины (алкинилалкены -C=C–C≡C-) или их гетероаналоги – соединения с фрагментами -С=С-С=О, -С=С-СN. Наличие донорных заместителей в диене облегчает протекание реакции.

Диенофилами обычно являются алкены и алкины с активированной электроноакцепторными заместителями кратной связью. В роли диенофилов также могут выступать соединения, содержащие двойные связи с гетероатомом, например -С=О, -С=N-, -СN, -N=О, -S=O, -N=N-. Обнаружено, что в некоторых случаях даже вещества с изолированными двойными связями могут присоединять диены, однако такие реакции обычно протекают в более жёстких условиях [2].

В результате диенового синтеза образуются шестичленные циклы, содержащие двойную связь между вторым и третьим атомами углерода исходного диена.

Типичный пример диенового синтеза – Реакция Дильса – Альдера – получение ангидрида тетрагидрофталевой кислоты из бутадиена-1,3 и малеинового ангидрида:

 

Схема 1

диен                   диенофил

 

Реакцию Дильса – Альдера осуществляют простым смешением или нагреванием реагентов при 100 – 120°С. При отсутствии активирующей группы в диенофиле для диенового синтеза необходимы жёсткие условия. Обычно эта реакция протекает с высокими выходами, её скорость снижается с увеличением количества и объёма заместителей [4].

Реакция Дильса – Альдера высокостереоспецифична и всегда идёт по схеме цис-присоединения.

Неоднократно наблюдалось, что аддукты реакции диенового синтеза термически неустойчивы. Поэтому в подавляющем числе случаев данная реакция обратима и при нагревании до температур более 200°C снова образуются исходные продукты. Диссоциация происходит с различной лёгкостью в зависимости от характера аддуктов.

Различные типы сопряженных систем, способных вступать в реакцию диенового синтеза, могут быть классифицированы следующим образом:

1. Ациклические сопряжённые системы.

2. Алициклические сопряжённые системы:

3. Ароматические сопряжённые системы:

4. Гетероциклические соединения

Реакция Дильса – Альдера иногда сопровождается полимеризацией диенов – побочная реакция. Применение ингибиторов полимеризации (гидрохинона), низкая температура реакции и выбор подходящих растворителей являются иногда эффективными факторами для подавления полимеризации диена.

Реакция Дильса – Альдера очень важна для синтеза сложных природных полициклических структур [2].

 

 

 

  3. Примеры реакций диенового синтеза

                         Реакции циклоприсоединения

       Реакции циклоприсоединения – реакции, протекающие с образованием нового цикла из двух реагирующих молекул (без отщепления каких-либо групп или атомов). Такие реакции сопровождаются общим уменьшением кратности связей. Конечным продуктом реакций циклоприсоединения являются циклические субстраты.

Существует две основных группы реакций этого типа:

• Присоединение к сопряженным системам – Реакция Дильса – Альдера;
• 1,3-диполярное циклоприсоединение – Реакция Хьюсгена.

В связи с усилением ароматичности в ряду соединений фуран < пиррол < тиофен пятичленные гетероциклы значительно различаются по лёгкости вступления реакции 1,4-циклоприсоединения по Дильсу – Альдеру (диеновый синтез).

 

 

 

 

В рассматриваемой группе соединений ароматический характер наименее выражен в случае фурана. Это вещество отчётливо проявляет свойства сопряжённого диена и легко вступает в реакцию Дильса – Альдера с соединениями, содержащими двойную или тройную связь, активированную диенофилами. Например, при быстром добавлении фурана к малеиновому ангидриду при комнатной или более низкой температуре получают термодинамически устойчивый продукт реакции (Схема 2).

 

Схема 2

 Пиррол с большим трудом вступает в реакцию 1,4-циклоприсоединения по Дильсу – Альдеру. Для него типична реакция заместительного присоединения по второму атому углерода кольца. Так, например, при взаимодействии пиррола с малеиновым ангидридом в основном образуется продукт замещения (Схема 3).

Схема 3

Циклоприсоединение широко используют в органической химии для синтеза карбо- и гетероциклических соединений с различным набором и числом атомов в кольце; оно представляет большой теоретический интерес.

 

Реакции циклических ангидридов с соединениями содержащими аминогруппу

          В ходе Реакции Дильса –  Альдера из бутадиена-1,3 и малеинового  ангидрида получается 1,2,3,6-тетрагидрофталевый  ангидрид (Схема 4).

 

Схема 4

 

Ангидрид тетрагидрофталевой кислоты – белый кристаллический порошок температура плавления, которого 103 – 104°C. Молекулы данного вещества имеют циклическое строение.

В реакциях ацилирования ангидридов аммиаком и первичными аминами получаются имиды, в которых с атомом азота связаны две ацильные группы. Это происходит особенно легко в случае циклических ангидридов, из которых образуются циклические амиды (Схема 5).

 

Схема 5

 

При взаимодействии циклических ангидридов со вторичными аминами можно последовательно ввести две амидные группы, используя методы пептидного синтеза для мягкого введения второй амидной группировки (Схема 6).

 

Схема 6

 

Циклические ангидриды взаимодействуют и с аминокислотами с образованием N-ацильных производных (Схема 7).

 

Схема 7

Данная реакция используется для защиты аминогруппы в синтезе пептидов. Такая защита должна легко сниматься, а амиды, как известно, гидролизуются в жестких условиях. При разработке методов синтеза пептидов были найдены защитные группы, которые легко удаляются путем гидролиза или гидрогенолиза [5].